钻井法凿井一扩成井施工工1 1教材.docx

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钻井法凿井一扩成井施工工11教材

钻井法凿井一扩成井施工工法

GJYJGF100-2012

中煤矿山建设集团有限责任公司安徽水利开发股份有限公司

中煤特殊凿井有限责任公司

王厚良赵时运丁明蔡鑫刘建国

1前言

随着我国经济的发展，国家对煤炭的需求量日益增大。

矿井立井井筒向深大方向发展。

钻井法施工煤矿立井井筒在质量方面优势显著，但效率不高。

在深厚冲积层中采用钻井法凿井，钻进过程需要多次分级扩孔才能达到所需要的钻井直径，多次扩孔虽然能有效地利用钻机能力，但也存在许多问题：

需要多个扩孔钻头，设备占用量大，施工成本高，辅助工作时间长、工效低，成井速度慢。

为了更好的发挥钻井法的优势，优化施工工艺，采用新型钻机，减少钻进分级等方法，对深大井筒进行“一扩成井”，有效地解决了钻井法成井速度问题。

在钻井法凿井“一扩成井”工艺研发过程中，依托“煤矿深井建设技术国家工程实验室”，采用理论分析，计算机模拟，室内试验等方法，开展了钻井新工艺研究，新型破岩滚刀研制，新型高效钻头结构研究，攻克了在传统钻井法凿井“一次超前，分级扩孔”的钻进工艺中存在的诸多难题，获得专利6项。

《“一扩成井”快速钻井法凿井关键技术及装备研究》成果荣获国家科学技术进步奖二等奖、安徽省科学技术进步奖一等奖和中国煤炭工业科学技术奖特等奖。

该技术于2010年12月26日通过了中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，对钻井法凿井技术的应用和发展具有重要意义。

2工法特点

2.0.1采用“一扩成井”技术施工煤矿立井井筒，减少了辅助作业时间，提高了钻井速度，缩短了施工工期30％以上。

2.0.2采用专配15系列滚刀，提高钻头刀具的破岩效率，降低钻头的故障率，使钻头的检查间隔从8天提高到14天。

2.0.3依据钻头排渣能力合理匹配“超前孔”和“扩孔”关系，一次破岩面积增加1-2倍，纯钻进速度提高50%以上；减少岩屑重复破碎，减少造浆15％。

2.0.4采用钻井防偏技术控制钻孔偏斜，利用超声波测井仪对钻孔的偏斜率进行监测，钻井偏斜率小，成井质量高。

2.0.5设备占用量少，减小劳动强度，减少施工场地的占用。

3适用范围

适用于不稳定含水地质条件下直径大于8m小于10m的立井井筒施工，尤其适用于深厚冲积层立井井筒施工。

4工艺原理

根据井筒设计参数和地质条件，选择钻机并配备合适的钻头和刀具，在确定的位置上，采用超前钻孔和一次扩孔钻进的方法施工；利用竖井钻机驱动钻具旋转，使滚刀切割岩土，将其破碎成岩屑；通过压气反循环进行泥浆循环洗井作业，将破碎的岩渣携带到地面的沉淀池内沉淀；泥浆循环的同时又起到护壁和冷却钻头的作用，如此反复，完成钻井的施工。

钻进施工期间，在地面预制井壁并养护，养护期满后吊运堆放。

当钻进至设计直径和深度后，依靠泥浆的浮力将预制好的井壁逐节对接漂浮下沉；当浮力大于重力时，向井壁内注入配重水，使井壁下沉并保持井壁处于漂浮状态直至井壁下沉到位；井壁下沉到底后，测量扶正井筒，使其偏斜率符合规范规定。

然后采用水泥浆和碎石交替充填将井帮与井筒间的泥浆置换出来，完成充填固井作业。

5施工工艺流程及操作要点

5.1工艺流程

施工工艺流程见图5.1-1。

图5.1-1工艺流程图

5.2操作要点

5.2.1测量放线

根据业主提供的井筒中心坐标及测量控制点，放样确定钻井井筒的中心，依据井筒中心及工业广场总平面布置图确定出泥浆沉淀池、设备基础等位置。

5.2.2基础施工

（1）锁口施工

1）根据临时锁口设计图纸，用机械沿轮廓线开挖，临时锁口周边及底部进行修整、夯实。

2）临时锁口施工完毕后，其平整度必须满足钻机安装的要求。

（2）基础施工

1）根据工业大临基础图纸完成泥浆沉淀池、井壁预制基础等的施工。

井壁预制基础的平整度和强度必须能满足井壁预制的要求。

2）沉淀池的长度、宽度和深度应能满足泥浆流动时岩土颗粒依自重沉淀要求，沉淀池宽度还应控制在捞渣机械的工作半径内。

5.2.3设备安装、调试

（1）利用起重设备完成钻机、空气压缩机、门式起重机等设备的安装；钻机安装完毕后，要保证大钩提吊中心、转盘中心、井筒设计中心在同一铅垂线上。

（2）根据图纸合理布置刀具，测量并记录钻头高度。

（3）完成设备电气安装后，应先通电进行空载试运转，然后负载进行设备试运转。

5.2.4配制泥浆

开钻前应认真分析井筒地质资料，对自然造浆能力好的地层，可直接采用清水开钻。

对开钻后不能自然造浆或自然造浆能力差的地层，提前配置泥浆，泥浆配置数量应能满足超前孔泥浆护壁需要。

5.2.5钻进施工

一扩成井示意图

（1）开钻前，配备的空压机最大供风量应能满足全断面钻进时泥浆冲洗的要求。

（2）开钻时应先进行泥浆正循环钻进作业，当钻进深度满足出浆要求后，起钻具，装入混合器，进行泥浆反循环钻进作业。

（3）钻进期间，要经常检查钻进记录，校核钻具全长。

（4）钻进期间，应根据地层情况合理选择钻压、转速等参数。

（5）在钻进通过膨胀性地层时，钻孔容易缩径，可采取控制泥浆失水量、扫孔、反向刀具等技术措施，预防和消除钻孔缩径。

（6）在钻进通过膨胀性粘土层、泥岩层时，钻头容易泥包，可采取如下措施预防和消除钻头泥包：

1）钻进时应适当控制钻压，减小钻进速度。

2）加大泥浆的冲洗量和适当降低泥浆的粘度。

3）改进钻头结构和刀具布置方式。

4）钻进过程中经常上下串动钻具，反复扫孔洗井。

5）每次下钻时，在钻头距井底1.0m～1.5m处，经扫孔后，再进入工作面。

（7）钻进期间，操作人员应注意观察各仪表的变化情况，防止掉钻、井内掉物、井帮坍塌等。

（8）钻进期间，应及时清理沉淀池内的沉渣，定时化验泥浆的各项参数，严格控制井口泥浆面不低于临时锁口面500mm。

（9）当超前孔钻至设计深度后，利用超声波测井仪测量钻孔垂直度和直径，符合规范要求后，进行下一步施工。

（10）超前孔钻进结束后进行扩孔钻进，当扩孔钻进达到设计深度后，经调制泥浆、测井，确认符合要求后下沉井壁。

5.2.6井壁预制

（1）法兰盘加工时，应成对配钻加工，并严格控制焊接变形。

（2）固定下法兰盘应用专用工具将其点焊在基础钢轨上，清扫干净。

按方位焊好预埋件、节间注浆管，并将不正的焊筋板、封水板调正，做好方位标记。

（3）井壁吊运堆放前应标明节号和方位，根据井壁下沉的顺序按“先下在上，后下在下”的原则堆放。

5.2.7井壁下沉

（1）井壁下沉准备

1）井筒钻进结束后，调整泥浆参数，为井壁下沉做好准备。

2）测量钻井的深度、直径以及偏斜情况，绘制井筒的纵剖面图和平面投影图，判断是否具备下沉井壁条件。

3）计算出每节井壁下沉时所需增加配重水量，便于下沉时掌握。

4）找出井壁底的中心，焊好找正用的中心线支座。

5）安装第一段高的注浆充填用防逆流装置（检查、调整压力）。

6）认真检查井壁底和其它井壁的壁后补注浆管，确保密封可靠。

7）验算井壁下沉时的漂浮高度,对漂浮高度不满足要求的井壁要提前加设支撑梁。

（2）井壁连接、下沉

1）将井壁底吊至井口，对准临时锁口中心，缓慢下放，使支撑梁落在临时锁口上，并将支撑梁找平垫实。

2）上、下两节井壁对接时,压在下节井壁的重量不得超过其钢梁的最大承载力。

3）井壁对接时,当下部井壁的上法兰盘与上部井壁的下法兰盘的方位标记对齐后,缓慢下落上部井壁，当两节井壁轻轻接触,应迅速穿好螺栓，然后拉线找正,使中心线与井壁上下法兰盘”米”字线中心重合。

4）井壁对接找正后，应用手将上下法兰盘连接螺栓拧紧，当对接的两法兰盘间隙超过5mm时，应用铁楔沿圆周方向按固定间距垫实，保证上部井壁的重量均匀传给下部井壁；法兰盘焊接时，当间隙过大需加圆钢填塞。

5）井壁下沉结束后，测量井筒内的无水段高深度，并将其和理论计算值进行对照。

如果实际值与理论计算值之差在±15m之内，视为正常。

如果超出正常值则需要进行分析找出原因。

（3）扶正固定

井壁下沉到底后，应测量计算井筒的偏斜率，根据井筒偏斜率情况，确定出扶正点的位置和扶正量，在临时锁口上部利用千斤顶扶正井壁，当偏斜率符合规范要求后，扶正工作完成。

5.2.8充填固井

充填段高的合理划分以及充填材料的选用对提高壁后充填质量、降低成本等起到积极的作用。

段高的合理划分以及充填材料的选用既应符合规范的规定，又要根据井筒深度按实际地质条件、井壁结构和充填工艺。

水泥浆充填段高应设在第一段高和粘土层（隔水层）中或钢板砼符合井壁层位内，以增加摩擦力，更好地起到固井封水和腰箍作用。

井筒表土段可采用石子充填，在确保充填质量前提下可起到降低成本的目的，一次充填高度不应超过100m。

深井表土段应分为若干段，水泥浆和石子交替进行充填。

井筒顶部充填段应采用水泥浆进行充填段高不得小于30m。

（1）水泥浆充填

划分原则：

第一段高必须采用水泥浆充填，起固井和封水作用，第一段高下部要深入稳定基岩层中达5m以上，上部要覆盖冲积层与岩石交接带以上15m；水泥浆充填段高宜设在粘土层（隔水层）中或钢板砼复合井壁层位内，以增加摩擦力，更好地起到腰箍作用；井筒表土段可采用石子充填，一次充填高度不应超过100m。

1）第一段高充填前，必须计算配重水量，加足配重水量。

2）第一段高采用水泥浆充填，密度应大于1.70g/mm3。

3）充填采用一泵一管制，并宜采用同型号注浆泵，充填时要经常观察压力表读数，如发现压力表读数不正常，要及时查明原因，确保充填正常进行。

4）第一段高注浆后养护时间不应少于48小时，中间注浆段养护时间不应小于36小时。

5）在下一段高充填前，应在对称的四个方位探测实际深度。

（2）石料充填

1）抛石充填应均匀对称进行，石料粒径40～60mm。

2）抛石充填时，应在相互垂直的方位用两台经纬仪检测井壁位移，随时调整各方位的充填速度，使整个充填顶面大致保持一致。

6材料与设备

6.0.1主要材料、机具设备见表6.0.1-1

表6.0.1-1主要材料、设备表

序号

名称

规格

单位

数量

备注

1

钻机

台套

根据井筒直径、设计钻井深度和现场情况确定

2

钻杆

根

3

超前钻头

套

4

扩孔钻头

套

5

泥浆除砂装置

ZX-250

套

6

空压机

GR200/20

台

7

门式起重机

300t×18m

套

8

洗碴机

台

1

9

注浆泵

TBW-850/50

台套

6

10

吊帽

只

根据井壁设计情况和井筒数量确定

11

内导向

只

12

井壁模板

套

13

井壁专用吊具

套

14

吊车

50t

辆

15

装载机

L40

台

2

16

自卸汽车

7～8t

辆

4

17

挖掘机

0.9m3

台

1

18

灰浆搅拌机

C-076-1

台

2

19

双轴搅拌机

5m3

台套

5

20

超声波测井仪

SKD-1

套

1

21

经纬仪

J2

台

2

22

水准仪

台

1

23

全站仪

台

1

24

黄砂

根据井筒深度、直径和井壁设计确定

25

碎石

26

水泥

7质量控制

7.0.1该工法严格执行《矿山井巷工程质量验收规范》（GB50213-2010）、《煤矿井巷工程施工质量检验评定标准》（MT5009-94）、《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）、《煤矿立井井筒装备防腐蚀技术规范》（MT/T5017-96）、《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81—91）。

其质量检验项目及检验方法如下：

（1）钻井临时锁口工程质量：

检验材料质量证明书、复检报告、砼试件强度报告、砼施工记录。

（2）钻进、吊运、泥浆系统的安装质量：

检查安装记录。

（3）钻井护壁泥浆质量：

检查泥浆化验记录。

（4）各级钻头钻进最终深度：

测量钻进最终深度时组成钻杆、钻头等的长度，计算出钻具总长，校核钻进最终深度时的活残尺和死残尺。

（5）成孔偏斜率：

检查测井图纸。

（6）井壁法兰盘连接质量：

检查井壁下沉质量验收记录。

（7）井壁法兰盘和法兰盘裸露面的防腐质量：

检查井壁下沉质量验收记录。

（8）钻井成井有效圆直径：

检查测井图纸。

（9）钻井成井深度：

测量井壁下沉结束后井壁总长度。

（10）钻井成井偏斜率：

检查测井图纸。

7.0.2达到工程质量目标所采取的技术措施

（1）钻进前，要准确测量钻头、钻杆高度、长度、死残尺等参数。

（2）在不均匀地层或软硬交接地层钻进时，应坚持减压钻进。

（3）钻进期间，要严格控制泥浆的参数，确保护壁质量。

（4）钻进结束前，提前调制泥浆，确保泥浆各项参数符合井壁下沉的要求。

（5）充填用水泥浆必须搅拌均匀，水泥浆密度不应小于1.7g/mm3。

水泥浆充填完毕，在碎石充填前，必须待水泥浆初凝后方可进行碎石充填。

第一段高充填时，壁后注浆充填率不小于设计充填量的90%，其他段高不小于设计充填量的80%。

（6）节间注浆时，水泥浆应搅拌均匀，密度应不低于1.75g/cm3,且水泥浆必须具有良好的流动性，确保水泥浆能充实井壁接头间隙，水泥浆凝固后结石率不小于95%。

7.0.3达到工程质量目标所采取的管理措施

（1）各分项工程均应编制质量、安全保证措施，各分项工程实施单位经济收入与质量挂钩。

（2）完善各级质量责任制，并认真落实，做到有检查、有记录、有评比、有总结。

（3）开展质量管理教育和组织群众性的质量管理活动，加强质量技术培训。

8安全措施

8.0.1分部分项工程施工前，应编制专项安全措施，报上级安全部门批准后，组织贯彻、实施。

8.0.2基坑开挖完毕后，基坑周围应设置防护挡板或防护栏，并设安全警示牌，夜间应有照明。

8.0.3钻进期间，井口和泥浆沟槽须设置安全防护网，井口和沉淀池周围必须有保证夜间施工安全的照明设施。

8.0.4钻进期间，地面的钻杆排放要整齐，有防止钻杆滚动措施。

8.0.5施工期间，特种作业人员必须持证上岗，作业人员必须佩戴防护用具。

8.0.6在井口进行钻具检修时，检修工作面应有防滑措施，洞口应铺设安全防护网，更换刀座、刀具时应将更换下来的刀座、刀具慢慢落至工作面，并及时清理到井口外。

8.0.7门式起重机行走轨道及基础应经常检查，当基础出现下沉或轨距偏差较大时应及时进行处理。

8.0.8废浆池堤坝设置栅栏和安全警示牌，并安排专人进行巡视。

9环保措施

9.0.1钻井期间，利用两级净化的方式对泥浆进行处理：

即先利用筛网振动机将大块岩屑清除，进入自重沉淀，再利用泥浆净化装置对泥浆进行净化，净化出的岩屑可作为回填用土或作为临时建筑的砌筑用砂，从而减少土地占用。

9.0.2在矿井附近设置临时废浆池，将钻进时多余泥浆排至费浆池，采用泥浆无害化处理技术，对泥浆进行无害化处理，减少泥浆对环境的污染，同时，临时废浆池可兼做矸石堆放场地。

9.0.3铺设运渣车辆专用车道，捞渣、运渣期间，运渣车辆应行驶平稳。

9.0.4捞渣结束后，安排专人对运渣专用车道的泥浆进行清理。

9.0.5采用新型螺杆空气压缩机，降低了施工时产生的噪声对职工听觉的伤害，改善了职工的工作环境。

9.0.6水泥浆充填时，水泥罐、搅拌机附近的工作人员必须佩戴防尘口罩，避免吸入悬浮在空气中的水泥粉尘。

10效益分析

10.1经济效益

一扩成井技术的成功运用，提高了钻井法施工钻进效率，加快了钻井速度，缩短了建井工期30％，使矿井能够提前投产，创造了较好的经济效益。

10.2社会效益

10.2.1实现了工期、质量的双赢，并将钻井法凿井技术提高到一个新水平，对我国深厚表土层下煤炭资源的开发具有重要作用。

10.2.2依据钻头排渣能力合理匹配“超前孔”和“扩孔”关系，一次破岩面积增加1-2倍，纯钻进速度提高50%以上；减少岩屑重复破碎，减少造浆15％，节约泥浆排放场地。

10.2.3降低了职工的劳动强度，改善了职工的工作环境。

10.2.4提高了井筒质量，设备占用量少，减少施工场地的占用。

11应用实例

11.0.1安徽省淮北矿业集团信湖煤矿中央风井，位于安徽省亳州市涡阳县花沟境内，设计钻井直径9.8m，钻井深度472m，其中表土层厚405.76m，岩石层厚66.24m。

工程于2010年12月26日开工，至2012年6月25日结束。

该井采用一扩成井技术，顺利地完成了钻井工程，钻井偏斜率0.301‰，工程质量合格。

是目前国内一扩成井直径最大的工程，它的成功标志着钻进施工技术向前推进了一大步，在今后的井筒建设中，通过该项技术的运用，将缩短建井周期，提高建井速度。

11.0.2安徽省淮北矿业集团信湖煤矿主井，位于安徽省亳州市涡阳县花沟境内，设计钻井直径9.0m，钻井深度502m。

工程于2010年12月开工，至2012年8月结束。

该井采用一扩成井技术，工程质量合格。

11.0.3河南平煤集团8矿2号回风井，位于河南省平顶山市境内，钻井直径8.7m，钻井深度480m。

工程于2010年6月29日开工，2012年1月18日竣工。